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A oscilação do Sul, El Niño, La Niña:

historia e princípios físicos.

Affonso S. Mascarenhas Jr.

Os  dois  eventos  El  Niño  mais  fortes  

1982  -­‐  1983  

1997  -­‐  1998  

Um pouco de Historia.

Quando Sir Gilbert Walker foi designado Diretor Geral dos observatórios das colonias británicas na India em 1904, ele se propos a tarefa de tentar predizer as variações das monsões na India, assím como das secas associadas a elas. Iniciou um projeto de examinar os registros globais da época, de pressão ao nivel do mar, temperatura do ar, precipitação e outras variaveis medidas em varias partes do mundo.

Os valores medios podíam diferir de ano para ano, mas as características das diferenças se mostraram similares sobre uma grande região do globo.

Parte inferior a media corrente de 12 meses da pressão do ar ao nivel do mar em Darwin (Australia) e na parte superior a precipitação media em uma serie de ilhas no Oceano Pacifico equatorial entre 1600 E e 1500 W. As setas identificam eventos ENSO.

Darwin

Correlação (X10) da media anual da pressão ao nível do mar com a pressão em Darwin. A pressão excede 0.4 na região sombreada e é menor que -0.4 na região hachurada. (95 estações met.)

É importante notar que as correlações maiores (menores) acontecem em dois centros de ação, que sugerem um mecanismo em forma de gangorra com um período de oscilação de 2 a 4 anos. Um centro de ação se encontra sobre o Pacifico tropical Oeste e Leste do Oceano Indico e outro sobre o Pacifico tropical sudeste. As flutuações nos dois centros ainda que est ivessem separadas por mi lhares de quilômetros eram perfeitamente coerentes e fora de fase.

As flutuações interanuais são irregulares no tempo. Sir Gilbert Walker, meteorólogo Británico e Diretor Geral dos Observatorios da colonia británica da India, denominou essas oscilações de Oscilação do Sul (OS).

Os científicos da época notaram que as oscilações envolviam muito más que apenas um sobe e desce na diferença da pressão de superficie através do Oceano Pacifico. A oscilação estava também associada a cambios maiores nos padrões de precipitação e campos de vento nos Océanos Indico tropical e Pacifico e que, além disso estava correlacionada com flutuações meteorológicas em outras partes do globo.

A relação importante entre a OS e as variações da temperatura da superficie do mar (TSM) foi descoberta nos 1960’s, por Berlage, Petersen e outros. A correlação entre os varios parámetros estabelece que pressão de superficie alta sobre o Oeste e pressão de superficie baixa sobre o Pacifico tropical Sudeste coincida com grandes precipitações, aguas de superficie quentes (não usuais) e ventos alisios relaxados no Pacifico Tropical central e Oeste. Esta fase da OS é conhecida como El Niño.

Da mesma figura pode se notar que as amplitudes de diferentes El Niño varíam grandemente, gerando denominações de categorías como forte, moderado, débil, muito débil, existindo considerável diferença em cada categoría.

É importante notar que a noção de “condições normais” no Pacifico Tropical, prácticamente não existe. Da figura, se nota que o Pacifico nunca está em um estado “normal”, ou está em uma fase da OS, conhecida por El Niño ou na fase complementar, denominada la Niña. Durante la Niña, a pressão de superficie é alta sobre o Leste e baixa sobre o Pacifico Tropical Oeste, enquanto que os alisios são intensos, e a TSM e precipitação são baixas no Pacifico Tropical Central e Leste.

-­‐3  

-­‐2  

-­‐1  

0  

1  

2  

3  

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Darwin  Tahi/  

Noções sobre a física do fenómeno

A figura mostra os mapas dos coeficientes de regressão das variáveis físicas sobre o índice TSM para cada v a r i á v e l importante.

Deser y Walace (1990) catalogaram os EN, LN, mais fortes dos últimos 60 anos usando as anomalías de TSM e correlacionaram com as variáveis físicas importantes, visando estimar os padrões espaciais típicos do ENSO; (Pressão Atmosférica, vento de Superficie, Temperatura da Superficie do Mar, Radiação de Onda Larga Emitida e Divergência do vento de Superficie).

Durante o ENSO, os movimentos de larga escala na atmosfera são dirigidos pelo aquecimento anómalo proveniente do calor latente liberado. O topo das nuvens tendem a ser frías, assim os menores valores de Radiação de Onda Larga Emitida (ROL), nos trópicos, correspondem ao topo das nuvens. Além disso estes valores (ROL) são identificados como regiões de convecção profunda.

Assim a anomalía baixa de ROL no PEc, entre 150°E e 150°W na fig c, mostra que nos episódios quentes de ENSO, essa região tem mais nuvens que o normal. Esta figura portanto mostra que o principal aquecimento anómalo que dirige a atmosfera durante o ENSO (quente) ocorre na parte Oeste e Central do Pacifico Equatorial.

Porque devería ser mais forte o aquecimento interanual na atmosfera nessa região Oeste/Central do Pacifico Equatorial?. Uma possível línha de raciocínio sería que uma maior anomalía de TSM causaría um aquecimento anómalo do ar adjacente à superficie que se expandiría, tornándo-se menos denso e mais leve que o ar ao redor, e consequentemente ascendente. O ar que sobe se esfría e o vapor de agua contido nele se condensa e aquece o ar, com a liberação de calor latente. Este aquecimento causa mais expansão do ar, mais movimento ascendente, mais condensação, mais aquecimento atmosférico.

Se esta línha de raciocínio fosse correta, esperaríamos o mais baixo valor de ROL sobre a região de máxima anomalía de TSM. Uma comparação das figs (b) e (c) mostra que a anómala cobertura de nuvens (medida pela anomalía ROL) ocorre no Pacifico Equatorial Oeste/Central enquanto a anomalía máxima de TSM ocorre no Pacifico Equatorial Este, a milhares de quilómetros de distância.

Obviamente, a anomalía de cobertura de nuvens e aquecimento atmosférico depende de algo mais que sómente anomalías de TSM.

Observações de ROL tropical e TSM mostram que baixos valores de ROL (correspondente ao incremento de cobertura de nuvens e precipitação) são mais prováveis que ocorram para TSM acima de 27.5 °C.

~28º C

Para que as anomalías de TSM sejam efetivas em produzir convecção profunda, a TSM deve ser pelo menos 27.5°C. Este resultado e a fig abaixo explicam o padrão de anomalía de aquecimento atmosférico durante o ENSO. Apesar das anomalías de TSM serem menores no P. Oeste/Central, elas ocorren sobre TSM >27.5°C, produzindo convecção anómala enquanto que maiores anomalías de TSM P Eq Leste ocorrem sobre agua tão fría que não provoca aquecimento convectivo atmosférico profundo.

!

Quais as causas das anomalías equatoriais de TSM na região Pacifico Oeste/Central, (150° E y 150° W), onde o acoplamento ENSO entre atmosfera e o oceano é mais forte? Analise de observações e modelos numéricos sugerem que a advecção zonal da agua por correntes oceânicas contribuem substancialmente para as anomalías de TSM locais. Específicamente, suponhamos que uma partícula de agua na superficie do mar perto do equador não ganha nem perde calor para o meio, mas é movida por uma corrente oceânica anômala para o Leste. Desde que, em média, a TSM decrece monotonicamente em direcção ao Leste, nesta região, uma anomalía de TSM positiva resulta em uma anômala convecção atmosférica profunda. Podemos pensar em este processo como uma corrente anómala movendo agua quente e convecção para o Leste.

Porque o SOI deve ser correlacionado com o movimento zonal da piscina de agua quente? Ao longo do equador os ventos sopram de zonas de alta para zonas de baixa pressão, para transferir massas de ar anômalas e equalizar a pressão.

Durante um episódio ENSO quente, ventos equatoriais de superficie são de Oeste, de cerca 150°E até 150°W. Portanto, como mostrado na Fig (a) a pressão de superficie é alta no PEcO (Oeste de 150°E) e baixa no PEcE (Leste de 150°W). Todavia a pressão de superficie em Tahiti é indicativa da pressão de superficie equatorial a Leste de 150°W, e a pressão atmosférica em Darwin é indicativa da pressão equatorial Oeste de 150°E. Portanto, quando a piscina quente se move para Leste, a convecção atmosférica profunda também se move para Leste e ventos anômalos equatoriais de Oeste são induzidos juntamente com pressões altas anômalas em Darwin e baixas pressões anômalas em Tahití. Portanto, o SOI sendo pressão anômala de superficie Tahití menos a de Darwin, é negativa.

A Fig mostra que o deslocamento zonal equatorial da borda Este da piscina quente do PO - 28.5C (linha sólida); o deslocamento zonal da isotaca -4 m/s de vento de oeste (linha traço-ponto); e o deslocamento zonal da isolinha de OLR equatorial de 240 W/m2 (linha fraca), estão correlacionados.

Esta é uma secção de temperatura ao longo do equador através do Océano Pacífico. Podemos notar uma zona de fortes mudanças de temperatura entre 50 e 180 m. É a denominada termoclina. Notamos também que podemos imaginar o océano tropical como um océano de duas capas sobrepostas.

Algumas animações

Outubro de 1998 (La Niña) a Outubro de 2002 (El Niño).

Outubro de 1998 (La Niña) a Outubro de 2002 (El Niño).

As ondas equatoriais

Vamos nos concentrar em ondas equatoriais de baixa frequência. Para o primeiro modo baroclínico (c=2.7 ms-1) a frequência é muito baixa (ω≈0, periodos longos) e o diagrama de dispersão mostra que somente são possíveis ondas de Kelvin equatoriais muito longas (k≈0), e ondas de Rossby também muito longas.

Ondas de Kelvin de subsidencia e Rossby de afloramento ou resurgencia

Imaginemos um vento forçante para o Leste com distribuição Gaussiana com a máxima amplitude no equador. O vento é ligado instantáneamente e mantido durante 30 días.

http://iri.columbia.edu/climate/ENSO/theory/

Um vento para Leste produz um transporte de massa na direcção do equador em ambos hemisferios, incrementando localmente a profundidade da capa quente, e decrescendo localmente em direção aos polos em ambos hemisferios. O excesso de massa perto do equador começa a se dispersar para o Leste como uma onda de Kelvin subsídente, enquanto as áreas de déficit de massa se deslocam para o Oeste como ondas de Rossby de resurgencia (afloramento).

As ondas equatoriais geradas e s u a s r e f l e ç õ e s t e m g r a n d e influência no fenômeno. O Oceâno Pacífico se extende aproximadamente desde 120oE ao 080oW (17,760 Km de distância); as ondas de Kelvin se propagam para Leste a 2.9 m/s, levando 70 días para cobrir esta distância, enquanto o modo Rossby se propaga para Oeste a 1/3 dessa velocidade (0.93 m/s) levando 210 días para cruzar o Pacífico.

As ondas de Kelvin incidentes sobre uma fronteira Leste são aprisionadas pela fronteira e para fixo ω < 1-(1/√2) u m n ú m e r o f i n i t o d e o n d a s equatoriais de Rossby se reflexam e o resto de energía vai em ondas de Kelvin costeiras que se propagam em direção aos polos. As ondas de Kelvin de subsidencia se reflexam como ondas de Rossby de resurgencia e as ondas de Rossby de resurgencia se reflexam c o m o o n d a s d e K e l v i n d e subsidencia.

Figura 7. Cobertura de nubes e el Pacifico Oeste observado de satélite en 18/05/86, indicando un par de ciclones tropicales en formación cerca de 160o E. Note los vientos de Oeste en el ecuador entre los dos centros de la rotación ciclónica.

Como a NOAA selecionou as regiões que melhor definiriam a ocorrência do El Niño / La Niña ?

Fuente: G.A. Vecchi & A.T. Wittenberg

A região equatorial, foi dividida em franjas de 10º de latitude por 50º de longitude (Niño 4), 10º por 60º de longitude (Niño 3). E Niño 1 e 2 de 5º e 10º de latitude Sul, até a costa oeste da América do Sul.

El Niño ocorre quando a media corrente de 5 meses da anomalia da TSM na região Niño 3,4 (5°N–5°S, 120°–170°W) excede 0.4°C por 6 meses consecutivos ou mais.

Experimentos numéricos realizados no COPPE,

Universidade Federal do Rio de Janeiro e CIIFEN.

•  Objetivo: – Avaliar, vía simulação numérica, a

influência das anomalías positivas da TSM do Oceano Atlântico Sul extra tropical e do Oceano Pacífico E q u a t o r i a l n o s p a d r õ e s d e circulação na América do Sul.

•  Atlântico Sul Extratropical – Confluência Brasil-Malvinas

Fonte: Peterson e Stramma, 1991 Fonte: Tokinaga et al. (2005)‏

•  Experimento 2: El Niño 1982-83 considerando só as anomalias positivas

na TSM do Pacífico Equatorial; •  Experimento 4: El Niño 1982-83

considerando as anomalias positivas na TSM do Pacífico Equatorial e as

anomalias positivas na TSM da região da CBM;

Resultados  Experimento  2  –  Anomalia  da  TSM  

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 60

0 .5

1P e so  no   tempo

m es e s

pes

o

a

Distribuição do peso das funções Gaussianas no tempo.

Distribuição máxima espacial das funções Gaussianas no espaço (°C) –Experimento 2. G max

1

G:=

Dis tribuiÁ„o  M·∙ xima  no  Es paÁo

fa

maio do ano (0)

junho do ano (0)

julho do ano (0)

agosto do ano (0)

setembro do ano (0)

outubro do ano (0)

novembro do ano (0)

dezembro do ano (0)

janeiro do ano (1)

fevereiro do ano (1)

março do ano (1)

abril do ano (1)

maio do ano (1)

Junho do ano (1)

julho do ano (1)

°C

Resultados  Experimento  2  –  IOS  

Índice de Oscilação Sul Standarizado

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

mar/82 abr/82 mai/82 jun/82 jul/82 ago/82 set/82 out/82 nov/82 dez/82 jan/83 fev/83 mar/83 abr/83 mai/83 jun/83 jul/83 ago/83 set/83

Meses

IOS

IOS OBSIOS CAM

Resultados  Experimentos  2  e  4  –  Vento  em  500  hPa  em  janeiro  do  ano  1  

(a)

(b)

(c)

m/s

Reanálise NCEP Experimento 2 Experimento 4

Uma maneira pictórica de mostrar o fenômeno.

La Niña

El Niño

56  

Los  dos  eventos  El  Niño  más  fuertes  

1982  -­‐  1983  

1997  -­‐  1998  

Que esperar para os próximos meses?

Referencias Bibliográficas. Allan J. Clarke (2008). An introduction to the dynamics of El Niño and the Southern Oscillation. Academic Press – Elsevier, USA, 308 pp. S. George Philander (1990). El Niño, La Niña and the southern Oscillation. Academic Press, USA, 293 pp. Rob Allan; J. Lindesay; D. Parker (1996). El Niño Southern Oscillation & Climatic Variability. CSIRO, Australia, 406 pp. Andrew Bakun (1996). Patterns in the Ocean; ocean processes and marine population dynamics. California Sea Grant College System in cooperation with Centro de investigaciones Biologicas del Nordeste, La Paz, BCS, Mexico, 325 pp. Matthias Tomczak; J.S. Godfrey (1994). Regional Oceanography: An introduction. Pergamon Press, Great Britain, 422 pp.

MUITO OBRIGADO!